Морфологические особенности повреждений диафизов длинных трубчатых костей (концевое опирание) при однократных ударах топором

Возникновение и формирование морфологической картины разрушения длинных трубчатых костей при рубящем воздействии ~ процесс сложный и многогранный. Начало и процесс, деформации, локализация и направление растягивающих, сжимающих и касательных напряжений, обусловливающих конечный этап деформации - разрушение, зависит не только от конструкции деформируемой кости, но и от условий внешнего воздействия. Изменение Направления, а также уровня внешнего воздействия или его угла значительно влияет на распределение силовых напряжений в деформируемом теле. Происходит передислокация наиболее напряженных участков, а следовательно, изменение характера деформации в целом. Меняются и виды разрушения. Различия в морфологической картине разрушения позволяют выявлять отдельные закономерности, на основании которых можно четко дифференцировать условия внешнего воздействия [В.Н. Крюков, 1986, 1995].

С целью исследования морфологических особенностей образования Повреждений диафизов длинных трубчатых костей при однократных ударах топором (концевое опирании кости) нами проведено 53 экспериментальных наблюдения, в 38 из них использовался топор с углом заточки 20°. Отклонение величины угла заточки на протяжении всего лезвия составило один градус. Фронтальный угол нанесения повреждения составил приблизительно 90°.

Для проведения экспериментальных наблюдений топор проходил специальную подготовку: 1) заточку, т.к. нам было необходимо, чтобы режущая кромка лезвия была острой на протяжении эксперимента; 2) шлифовку полей заточки на алмазном абразиве до зеркального блеска для уменьшения трения, в конечном итоге ширина полей составляла от 1,2 см до 0,8 см.

Экспериментальные повреждения наносились статистами обоего пола в возрасте от 20 до 40 лет плечевым ударом. Поскольку при проведении экспериментальных разрубов невозможно соблюсти идеальные условия (симметричное опирание концевого цилиндра по концам) эксперимента за счет различной толщины подложки, представленной мягкими тканями, анизотропности вещества материала кости, изменчивой формы поперечного сечения, мы в большинстве наблюдений (80 %) регистрировали небольшое отклонение фронтального угла от 90°, чему способствовал и сам способ нанесения удара (плечевой).

Макроскопически нами регистрировались следующие особенности: глубина разруба была небольшой и составила до 2/9 диаметра кости. Разруб располагался только на поперечном участке кости, контактирующей с топором, не распространяясь на боковые стенки повреждаемого участка диафиза (рис. 1).

В зоне разруба одна из стенок имела скошенный край, а другая — нависающий. Скошенная стенка разруба была гладкой, блестящей, типичной для разруба. На плоскости разруба с вероятностью 0,8 встречались трассы, представленные множественными, нежными, чередующимися валиками и бороздками, которые имели прямолинейное направление. С вероятностью 0,2 трассы отсутствовали, в этих случаях плоскость разруба подверглась обтиранию щекой топора.

Микроскопически при увеличении ×10, ×20, ×70 в зоне перехода разруба в перелом отмечалось формирование «валика» с вероятностью 0,8 в виде прерывающейся зоны долома, пересекающей костно-мозговой канал, имеющий костную насечку у основания (область затухания разруба) и возвышающуюся над поверхностью разруба на 0,1-0,3 см. Горизонтальная часть валика, перпендикулярная плоскости разруба, была представлена мелкобугристым возвышением.

При фрактологическом исследовании диафизов длинных трубчатых костей было предпринято контрастирование трещин с последующей стереоскопией костных препаратов. Анализ повреждений показал, что область разрушения длинной трубчатой кости представлена зоной разруба и двумя видами трещин, формирующими перелом. Первый вид - трещина распора, которая развивалась от вершины разруба. В этой группе наблюдений, трещина распора имела минимальную длину, не получая должного развития за счёт малого клиновидного действия полей заточки топора [С.А. Николаев, Л.А. Плинер, 1948].

Трещины распора направлены в область максимальных растягивающих напряжений кости. В наших наблюдениях они обнаруживались с вероятностью 0,8 и имели поперечное направление, т.к. удар наносился с фронтальным углом, приближенным к 90°. Вероятность обнаружения протяженных трещин сводилась к минимуму - 0,05.

Трещины второго вида начинались на противоположной стороне от разруба. По морфологическим признакам области зарождения, развития и долома напоминает картину поперечного перелома, который развивается при деформации поперечного изгиба длинной трубчатой кости [В.Н. Крюков, 1995; С.В. Леонов, 2001].

При стереомикроскопическом исследовании, проведенном после контрастирования, зона первичного разрыва кости представлена мелкозернистой полукруглой площадкой - «зеркальная зона» [В.Н. Крюков, 1986,1995]. Края здесь отвесные, хорошо сопоставимые. Во всех наблюдениях этой серии экспериментальных разрубов мы фиксировали четкое расположение зоны разруба (места приложения травмирующей силы) и зоны первичного разрыва на диаметрально противоположных поверхностях кости (вер. 1,0). Зона первичного разрыва не всегда соответствовала зоне разруба по нормали . Это обусловлено относительно несимметричным загружением кости при ударе, поскольку удары наносились плечевым способом, попасть четко в середину (по отношению к длиннику) кости представлялось затруднительным.

От зоны первичного разрыва в сторону прилагаемой нагрузки по боковым стенкам кости нами регистрировались трещины (второго и третьего порядка с вероятностью 0,9), имеющие хорошее ветвление с образованием мелких поверхностных осколков либо сколов в зоне скачкообразного развития трещины распора (рис. 1).

Рис. 1. Древовидное ветвление трещин в зоне разруба бедренной кости на сопряженной с разрубом стороне: а - латеральная поверхность, б - медиальная поверхность

Характер ветвления трещин, метрические параметры на диаметрально противоположных боковых поверхностях кости, был практически симметричным (вер. 1,0). Для наглядности наших наблюдений нами производилось наложение изображений противоположных поверхностей друг на друга для получения совмещенного изображения поверхности разруба в программе Picture Publisher 5.0 (рис. 2).

Рис. 2. Однотипность совмещения противоположных поверхностей

Симметричность разрушения нами оценивалась и по макроскопической картине при исследовании кости со стороны зоны первичного разрыва. От этой зоны веерообразно на боковые поверхности в сторону разруба развивались как магистральные, так и пасынковые трещины, напоминая крест (рис. 3). Вероятность встречаемости данного признака составила 1,0.

Рис. 3. Крестообразный разрыв бедренной кости

Вместе с тем, нами регистрировалось неполное соответствие направлений магистральных трещин, что связано с анизотропностью материала кости и неравномерным погружением клина топора - на той стороне кости, где разруб имел большую глубину, трещина распора получала большее развитие, что приводило к отклонению направления трещины от деформации изгиба.

В данной серии экспериментальных наблюдений трещина деформации изгиба имела максимальное развитие (вер. 0,9) и завершала разрушение кости (вер. 0,8), на основании чего можно сделать заключение о том, что в данном случае превалирующей была деформация изгиба (рис. 4).

Рис. 4. Трещина деформации изгиба, завершающая разрушение (отмечена черной стрелкой)

Таким образом, в момент нанесения удара длинная трубчатая кость при опирании по концам испытывает сложное напряженно-деформированное состояние, реализующееся через различные механизмы разрушения, превалирующими в которых являются деформация изгиба и в меньшей степени — деформация распора (обусловленная давлением клина топора на стенки разруба).

Вторая серия наблюдений была представлена рублеными повреждениями длинных трубчатых костей при косых ударах топором с углом заточки

20° с концевом описанием. В этой серии проведено 17 экспериментальных разрубов. Как и в предыдущей серии, использовался плечевой способ нанесения удара, но уменьшался фронтальный угол нанесения повреждений, что привело к значительному увеличению глубины погружения топора в объекты. Она составила в среднем 3/7 диаметра кости.

Скошенная плоскость разруба, как и в предыдущей серии наблюдений, имела гладкую, блестящую поверхность с хорошо выраженными трасами, которые были направлены прямолинейно. Но в отличие от предыдущей серии наблюдалось изменение геометрии плоскости разруба, которая, дугообразно изгибалась с уменьшением первоначального фронтального угла, и часто имела вид «восьмерки» (рис. 5 а, 6, в).

Рис. 5 а. Плоскость разруба на противоположных поверхностях кости (а, 6)

Рис. 5 б. Плоскость разруба на противоположных поверхностях кости (а, 6)

Рис. 5 в. Плоскость разруба в виде «восьмерки» на объединенном изображении (в)

На основании полученных данных можно определить направление нанесения удара, а по кривизне дуги трас и локализации сколов компакты - сторону, с которой было нанесено повреждение и ведущую руку рубящего человека (это связано, по нашему мнению, с условием захвата топора: ведущая рука, расположенная в захватной части топорища, обеспечивает нажим в сторону более сильных мышц кисти человека — в сторону сгибателей кисти).

Удар рубящим орудием, нанесенный по косой вызывает развитие в кости деформации косого изгиба. Исследование разрубов выявило следующие признаки повреждения:

1. Зона разруба и зона разрыва локализуются на диаметрально противоположных поверхностях кости. При этом пересечение костей треугольной, четырехугольной формы на поперечном сечении (на уровне разрушения) не имело достоверных заметных отличий (рис. 6).

Рис. 6. Зона разруба (1) и разрыва (2) на плечевой кости при косом ударе топором при концевом опирании кости

2. Магистральные трещины на обеих поверхностях имели практически одинаковое направление и развитие и в этой серии наблюдений приобрели косопоперечное направление (рис. 7).

Рис. 7. Однотипность направления магистральных трещин на сопряженных поверхностях плечевой кости при ударе топором с углом заточки 20° при косом изгибе

3. Магистральные трещины от деформации изгиба, как и в предыдущей серии наблюдений, завершали разрушение с вероятностью 0,8; с вероятностью 0,2 разрушение завершалось от трещины распора. Данное заключение нами формировалось на основании фактографического анализа трещин и линий переломов на поверхностях кости - ведущим признаком был признак повторной травматизации «конец в бок» (рис. 8) [И.В. Маслаков, В.О. Плаксин, 1978].

Рис. 8. Признаки повторной травматизации «конец в бок», выявленные фрактологическим исследованием

4. Трещины распора нами регистрировались большей длины, они составляли 1/3 ширины кости в области разрушения (вер. 0,6).

5. Значительно большее развитие получали сколы на нависающей поверхности разруба (вер. 0,7), что объяснялось большей глубиной погружения клина топора в материал кости (рис. 9).

Рис. 9. Сколы на нависающей поверхности разруба (показаны черными стрелками)

Используя данные теории резания материала [А.И. Барботько, А.Г. Зайцев, 1990], был сделан вывод о том, что увеличение глубины разруба в сочетании с увеличением длины трещин распора объясняется слоистостью материала кости. Поперечные удары (плоскость и направление удара перпендикулярны линии волокон материала) обуславливают торцевой вид резания. При этом виде резания затраты энергии на отделение материала наибольшие, что приводит к деформации изгиба кости и последующему перелому с морфологией разрушения кости от действия сосредоточенной силы.

При косых ударах имеет место резание с тенденцией направления вдоль волокон материала кости, то есть продольное резание, при этом энергозатраты наименьшие, а материал имеет тенденцию к разрушению от раскалывания.

То есть изменение фронтального угла нанесения удара топором приводит к изменению морфологии разруба в большей степени за счет слоистости материала кости. Изменение направления магистральных трещин и смещение зоны первичного разрыва - фактически два признака, позволяющие отличить два вида нагружения.

Для подтверждения полученных результатов нами было предпринято моделирование процесса разрушения длинной трубчатой кости под воздействием рубящего предмета методом конечных элементов. Используемые среды ANSYS-10 edition. На рис. 10 показан характер деформации полого цилиндра под воздействием острого индентора.

Рис. 10. Характер деформации полого цилиндра под воздействием острого индентора

На рис. 11 показан характер и направление главных напряжений как на поверхности, так и в толще кости при деформации полого цилиндра, опертого по концам под воздействием острого индентора.

Рис. 11. Характер и направление главных напряжений на поверхности и в толще кости при деформации полого цилиндра, опертого по концам под воздействием острого индентора

Вывод

Численные исследования показали хорошее соответствие расчетных и экспериментальных результатов при разрушении длинных трубчаты костей. На рис. 10 показан характер и направление главных напряжений на поверхности и в толще кости, обуславливающих соответствующий характер деформации полого цилиндра (рис. 11), что объясняет сложное напряженно- деформированное состояние бедренной кости при данных условиях опирания и развитие морфологической картины разрушения.